DE10007859A1 - Langzeitstabile wasser- und ölabweisende Oberfläche - Google Patents
Langzeitstabile wasser- und ölabweisende OberflächeInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine langzeitstabile hydrophobe oder oleophobe Oberfläche und ihre Verwendung.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine langzeitstabile hydro- und/oder oleophobe
Oberfläche und ihre Verwendung.
Ein hydrophobes Material im Sinne der Erfindung ist ein Material, das auf einer
ebenen nicht strukturierten Oberfläche einen Randwinkel bezogen auf Wasser von
größer als 90° zeigt.
Ein oleophobes Material im Sinne der Erfindung ist ein Material, das auf einer
ebenen nicht strukturierten Oberfläche einen Randwinkel bezogen auf langkettige n-
Alkane, wie n-Dekan von größer als 90° zeigt.
Derartige Oberflächen können z. B. für Scheiben in Automobilen eingesetzt werden,
wenn sie gleichzeitig transparent sind. Die wasserabweisende Eigenschaft führt bei
Regen zur Bildung von Tropfen, die durch den Fahrtwind entfernt werden können,
wodurch die Sicht bei Regen stark verbessert wird..
Es hat deshalb nicht an Versuchen gefehlt, solche hydrophoben und oleophoben
Oberflächen zur Verfügung zu stellen. So wird in der Veröffentlichung von A.
Hozumi, H. Sekoguchi, N. Kakinoki und O. Takai in Journal of Materials Science
32, 4253-4259 (1997) ein Verfahren beschrieben, mit dem transparente Substrate mit
einem dünnen transparenten hydrophoben Film beschichtet werden. Der Film wird
durch radiofrequenz-unterstützte CVD (chemical vapour deposition) von
Perfluoralkylverbindungen hergestellt und führt zu einem Wasserrandwinkel von
107°.
Weiterhin wird in der Patentschrift US 5 688 864 (Patentinhaber: PPG Industries)
gelehrt, wie Glasoberflächen mit Hilfe von Perfluoralkylsilanen hydrophobisiert
werden können. Hierzu wird die Verbindung in einem Lösungsmittel auf die
Glasoberfläche aufgebracht, wodurch es zur Reaktion des Silans mit der Oberfläche
kommt. Die Oberfläche besitzt nach der Behandlung einen Wasserrandwinkel von
115°.
Die mit diesen Verfahren hergestellten Oberflächen haben jedoch den Nachteil, daß
der Kontaktwinkel eines Tropfens, der auf der Oberfläche liegt, mit der Zeit stark
abnimmt. Es sind daher vielfach Anstrengungen unternommen worden, um die
Dauerhaftigkeit der hydrophoben Beschichtung zu verlängern. So wird in der
Patentschrift US 5 980 990 gelehrt, dass eine Vorbehandlung der Glasoberfläche mit
Säure und eine anschließende Reaktion mit einem hydrophoben Silan zu einer
deutlich verbesserten Langzeitstabilität führt.
Die Haltbarkeit dieser Filme ist jedoch im Normalgebrauch auf einige Monate
beschränkt. Die Firma PPG Industries empfiehlt beispielsweise in ihren
Anwendungshinweisen für ihr als sehr haltbar bezeichnetes Produkt Aquapel®, die
Beschichtung bei Normalgebrauch nach einigen Monaten zu erneuern.
Es stellt sich deshalb die Aufgabe, hydrophobe und/oder oleophobe Oberflächen und
Verfahren zu ihrer Herstellung zur Verfügung zu stellen, die einen Kontaktwinkel
< 90° aufweisen, der auch bei starker Beanspruchung über viele Jahre stabil ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Herstellung einer Oberfläche gelöst,
die beispielhaft in der Fig. 1 beschrieben ist. Auf einem Träger (z. B. Glas oder ein
Polymer, wie z. B. Polycarbonat) befindet sich eine Reservoirschicht, in der ein
Phobierungsmittel gelöst und frei beweglich ist, welches hydrophob und/oder
oleophob ist. Eine weitere Schicht (Abdeckschicht) deckt die Reservoirschicht nach
außen ab. Durch Poren in der Abdeckschicht diffundiert das in der Reservoirschicht
befindliche Phobierungsmittel an die Außenoberfläche und bildet dort eine
Außenschicht. Die Oberfläche dieser Schicht weist gegenüber Wasser einen
Randwinkel < 90° auf.
Gegenstand der Erfindung ist eine langzeitstabile hydrophobe oder oleophobe
Oberfläche aufgebaut wenigstens aus einem Substrat mit einer darauf angeordneten,
ein Phobierungsmittel enthaltenden Reservoirschicht, einer darüber angeordneten mit
Poren versehenen oder für das Phobierungsmittel durchlässigen Abdeckschicht und
einer Außenschicht, die durch das Phobierungsmittel gebildet wird.
Bei Oberflächen nach dem Stand der Technik wird die hydrophobe Schicht langsam
z. B. durch Bewitterung abgebaut. Die Lebensdauer ist dadurch stark begrenzt. Bei
der vorliegenden Erfindung wurde jedoch überraschend festgestellt, dass durch die
Poren ständig neues Phobierungsmittel für die Außenschicht nachgeliefert wird,
wodurch der Abbau immer genau kompensiert wird, solange noch Material in der
Reservoirschicht vorhanden ist. Durch die Nachlieferung des Phobierungsmittels
bleibt auch der Randwinkel stabil.
Besonders bevorzugt weist die Oberfläche der Abdeckschicht eine
Oberflächentopographie auf, wie sie in der internationalen Patentanmeldung mit dem
Aktenzeichen PCT/99/10322 beschrieben ist. Die Oberflächentopographie ist dabei
so aufgebaut, dass der Wert des Integrals einer Funktion S
S(log f) = a(f) . f,
die einen Zusammenhang zwischen den Ortsfrequenzen f der einzelnen
Fourierkomponenten und deren Amplituden a(f) gibt, zwischen den
Integrationsgrenzen log (f1/µm-1) = -3 und log (f2/µm-1) = 3, mindestens 0,3
beträgt.
In diesem Fall ist der Randwinkel gegenüber Wasser deutlich höher, als der einer
unstrukturierten ebenen Oberfläche.
Die Reservoirschicht hat bevorzugt eine Dicke im Bereich 0,1 µm bis 10000 µm,
besonders bevorzugt im Bereich 1 µm bis 2000 µm, ganz besonders bevorzugt im
Bereich 10 µm bis 1000 µm und insbesondere bevorzugt im Bereich 50 µm bis 500 µm.
Die Abdeckschicht hat vorzugsweise eine Dicke im Bereich 0,01 µm bis 100 µm,
bevorzugt im Bereich 0,02 µm bis 50 µm, besonders bevorzugt im Bereich 0,05 µm bis
20 µm und ganz besonders bevorzugt im Bereich 0,1 µm bis 10 µm.
Die Poren 4 können im Querschnitt entlang ihrer Längsachse eine zylindrische oder
konische Form, oder jede andere beliebige Form aufweisen. Der Öffnungsquerschnitt
der Poren beträgt an der Grenzfläche zur Reservoirschicht und unabhängig hiervon
gleich oder verschieden an der Grenzfläche zur Außenschicht von 10-5 µm2 bis
106 µm2, bevorzugt von 4 × 10-4 µm2 bis 4 × 104 µm2, besonders bevorzugt von 1 × 10-2µm 2
bis 1 × 104 nm2 und ganz besonders von 2 × 10-1 mm2 bis 2 × 103 um2.
Die Anzahl der Poren pro Fläche beträgt insbesondere von 2 mm-2 bis 10-4 mm-2,
bevorzugt von 1 mm-2 bis 10-3 mm-2, besonders bevorzugt von 0,5 mm-2 bis
10-2 mm-2.
Die Poren werden vorzugsweise durch Ablation mit Lasern, besonders bevorzugt
durch Ultraviolett-Laser, ganz besonders bevorzugt durch Ultraviolett-Laser der
Wellenlängen 308 nm, 266 nm, 248 nm, 213 nm, 193 nm oder 157 nm hergestellt.
In einer weiteren bevorzugten Weise werden die Poren 4 lithographisch über Masken
mit chemischen Ätzverfahren hergestellt.
Das Substrat besteht aus einem beliebigen Material, das hydrophob und/oder
oleophob beschichtet werden kann. Bevorzugt besteht das Substrat aus einem
transparenten Material, insbesondere transparentem Glas, Kunststoff oder Keramik.
Die Reservoirschicht ist insbesondere eine offen-poröse Schicht aus Metall oder eine
offen-porösen Schicht eines keramischen Materials oder besteht aus einem
duroplastischen oder thermoplastischen Kunststoff. Bevorzugt besteht die
Reservoirschicht aus einem transparenten Material, insbesondere transparentem Glas,
Kunststoff oder Keramik.
Besonders bevorzugt ist das Metall für die Reservoirschicht und/oder das Substrat
aus der Reihe Beryllium, Magnesium, Scandium, Titan, Vanadium, Chrom, Mangan,
Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Zink, Gallium, Yttrium, Zirkon, Niob, Molybdän,
Technetium, Ruthenium, Rhenium, Palladium, Silber, Cadmium, Indium, Zinn,
Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium,
Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Lutetium, Hafnium, Tantal,
Wolfram, Rhenium, Osmium, Iridium, Platin, Gold, Thallium, Blei, Wismut,
insbesondere Titan, Aluminium, Magnesium, Nickel oder einer möglichen Legierung
der genannten Metalle ausgewählt.
Als keramische Materialien für die Reservoirschicht und/oder das Substrat eignen
sich insbesondere Metalloxide, Metallcarbide, Metallnitride, Metallsulfide,
Metallfluoride der oben genannten Metalle sowie Verbunde dieser Materialien.
Der bevorzugte duroplastische Kunststoff ist insbesondere aus der Reihe:
Diallylphthalat-Harz, Epoxid-Harz, Harnstof Formaldehyd-Harz, Melamin-
Formaldehyd-Harz, Melamin-Phenol-Formaldehyd-Harz, Phenol-Formaldehyd-Harz,
Polyimid, Silikonkautschuk und ungesättigtes Polyesterharz ausgewählt.
Der bevorzugte thermoplastische Kunststoff ist insbesondere aus der Reihe:
thermoplastisches Polyolefin, z. B. Polypropylen oder Polyethylen, Polycarbonat,
Polyestercarbonat, Polyester (z. B. PBT oder PET), Polystyrol, Styrolcopolymerisat,
SAN-Harz, kautschukhaltiges Styrol-Pfropf-Copolymerisat, z. B. ABS-Polymerisat,
Polyamid, Polyurethan, Polyphenylensulfid, Polyvinylchlorid oder beliebigen
möglichen Mischungen der genannten Polymere ausgewählt.
Insbesondere eignen sich folgende thermoplastischen Polymere als Substrat für die
erfindungsgemäße Oberfläche:
Polyolefine wie Polyethylen hoher und niedriger Dichte, d. h. Dichten von 0,91 g/cm3
bis 0,97 g/cm3, die nach bekannten Verfahren, Ullmann (4.) 19, Seite 167 ff,
Winnacker-Kückler (4.) 6, 353 bis 367, Elias u. Vohwinkel, Neue Polymere
Werkstoffe für die industrielle Anwendung, München, Hanser 1983, hergestellt
werden können.
Weiterhin eignen sich Polypropylene mit Molekulargewichten von 10.000 g/mol bis
1.000.000 g/mol, die nach bekannten Verfahren, Ullmann (5.) A10, Seite 615 ff.,
Houben-Weyl E20/2, Seite 722 ff., Ullmann (4.) 19, Seite 195 ff., Kirk-Othmer (3.)
16, Seite 357 ff., hergestellt werden können.
Es sind aber auch Copolymerisate der genannten Olefine oder mit weiteren α-
Olefinen möglich, wie beispielsweise Polymere aus Ethylen mit Buten, Hexen
und/oder Octen, EVA (Ethylenvinylacetatcopolymerisate), EBA
(Ethylenethylacrylatcopolymerisate), EEA (Ethylenbutylacrylatcopolymerisate),
EAS (Acrylsäureethylencopolymerisate), EVK
(Ethylenvinylcarbazolcopolymerisate), EPB (Ethylen-Propylen-Blockcopolymere),
EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Copolymerisate), PB (Polybutylen), PMP
(Polymethylpentene), PIB (Polyisobutylene), NBR (Acrylnitrilbutadien
copolymerisate), Polyisoprene, Methyl-butylencopolymerisate, Isopren
isobutylencopolymerisate.
Herstellungsverfahren: solche Polymerisate sind z. B. in
Kunststoff-Handbuch, Band IV, München, Hanser Verlag,
Ullmann (4.) 19, Seite 167 ff,
Winnacker-Kückler (4.) 6, 353 bis 367,
Elias u. Vohwinkel, Neue Polymere Werkstoffe, München, Hanser 1983,
Franck u. Biederbick, Kunststoff Kompendium Würzburg, Vogel 1984,
offenbart.
Erfindungsgemäß geeignete thermoplastische Kunststoffe sind auch
thermoplastische, aromatische Polycarbonate insbesondere solche auf Basis der
Diphenole der Formel (I)
worin
A eine Einfachbindung, C1-C5-Alkylen, C2-C5-Alkyliden, C5-C6- Cycloalkyliden, -S-, -SO2-, -O-, -CO-, oder ein C6-C12-Arylen-Rest, der gegebenenfalls mit weiteren, Heteroatome enthaltenden aromatischen Ringen kondensiert sein kann,
die Reste B, unabhängig voneinander, jeweils ein C1-C8-Alkyl, C6-C10-Aryl, besonders bevorzugt Phenyl, C7-C12-Aralkyl, bevorzugt Benzyl, Halogen, bevorzugt Chlor, Brom,
x unabhängig voneinander, jeweils 0, 1 oder 2 und
p 1 oder 0 bedeuten,
oder alkylsubstituierte Dihydroxyphenylcycloalkane der Formel (II),
A eine Einfachbindung, C1-C5-Alkylen, C2-C5-Alkyliden, C5-C6- Cycloalkyliden, -S-, -SO2-, -O-, -CO-, oder ein C6-C12-Arylen-Rest, der gegebenenfalls mit weiteren, Heteroatome enthaltenden aromatischen Ringen kondensiert sein kann,
die Reste B, unabhängig voneinander, jeweils ein C1-C8-Alkyl, C6-C10-Aryl, besonders bevorzugt Phenyl, C7-C12-Aralkyl, bevorzugt Benzyl, Halogen, bevorzugt Chlor, Brom,
x unabhängig voneinander, jeweils 0, 1 oder 2 und
p 1 oder 0 bedeuten,
oder alkylsubstituierte Dihydroxyphenylcycloalkane der Formel (II),
worin
R1 und R2, unabhängig voneinander, jeweils Wasserstoff, Halogen, bevorzugt Chlor oder Brom, C1-C8-Alkyl, C5-C6-Cycloalkyl, C6-C10-Aryl, bevorzugt Phenyl, und C7-C12-Aralkyl, bevorzugt Phenyl-C1-C4-Alkyl, insbesondere Benzyl,
m eine ganze Zahl von 4 bis 7, bevorzugt 4 oder 5,
R3 und R4 für jedes Z individuell wählbar, unabhängig voneinander, Wasserstoff oder C1-C6-Alkyl, vorzugsweise Wasserstoff, Methyl oder Ethyl, und
Z Kohlenstoff bedeutet, mit der Maßgabe, daß an mindestens einem Atom Z R3 und R4 gleichzeitig Alkyl bedeuten.
R1 und R2, unabhängig voneinander, jeweils Wasserstoff, Halogen, bevorzugt Chlor oder Brom, C1-C8-Alkyl, C5-C6-Cycloalkyl, C6-C10-Aryl, bevorzugt Phenyl, und C7-C12-Aralkyl, bevorzugt Phenyl-C1-C4-Alkyl, insbesondere Benzyl,
m eine ganze Zahl von 4 bis 7, bevorzugt 4 oder 5,
R3 und R4 für jedes Z individuell wählbar, unabhängig voneinander, Wasserstoff oder C1-C6-Alkyl, vorzugsweise Wasserstoff, Methyl oder Ethyl, und
Z Kohlenstoff bedeutet, mit der Maßgabe, daß an mindestens einem Atom Z R3 und R4 gleichzeitig Alkyl bedeuten.
Geeignete Diphenole der Formel (I) sind z. B. Hydrochinon, Resorcin, 4,4'-
Dihydroxydiphenyl, 2,2-Bis-(4-hydroxyphenyl)-propan, 2,4-Bis-(4-hydroxyphenyl)-
2-methylbutan, 1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-cyclohexan, 2,2-Bis-(3-chlor-4-hydroxy
phenyl)-propan, 2,2-Bis-(3,5-dibrom-4-hydroxyphenyl)-propan.
Bevorzugte Diphenole der Formel (I) sind 2,2-Bis-(4-hydroxyphenyl)-propan, 2,2-
Bis-(3,5-dichlor-4-hydroxyphenyl)-propan und 1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-cyclo
hexan.
Bevorzugte Diphenole der Formel (II) sind Dihydroxydiphenylcycloalkane mit 5 und
6 Ring-C-Atomen im cycloaliphatischen Rest [(m = 4 oder 5S in Formel (II)] wie bei
spielsweise die Diphenole der Formeln
wobei das 1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-3,3,5-trimethylcyclohexyn (Formel IIc) beson
ders bevorzugt ist.
Die erfindungsgemäß geeigneten Polycarbonate können in bekannter Weise
verzweigt sein, und zwar vorzugsweise durch den Einbau von 0,05 bis 2,0 mol-%,
bezogen auf die Summe der eingesetzten Diphenole, an drei- oder mehr als
dreifunktionellen Verbindungen, z. B. solchen mit drei oder mehr als drei
phenolischen Gruppen, beispielsweise
Phloroglucin,
4,6-Dimethyl-2,4,6-tri-(4-hydroxyphenyl)-hepten-2,
4,6-Dimethyl-2,4,6-tri-(4-hydroxyphenyl)-heptan,
1,3,5-Tri-(4-hydroxyphenyl)-benzol,
1,1,1-Tri-(4-hydroxyphenyl)-ethan,
Tri-(4-hydroxyphenyl)-phenylmethan,
2,2-Bis-(4,4-bis-(4-hydroxyphenyl)-cyclohexyl)-propan,
2,4-Bis-(4-hydroxyphenyl)-isopropyl)-phenol,
2,6-Bis-(2-hydroxy-5'-methyl-benzyl)-4-methylphenol,
2-(4-Hydroxyphenyl)-2-(2,4-dihydroxyphenyl)-propan,
Hexa-(4-(4-hydroxyphenyl-isopropyl)-phenyl)-ortho-terephthalsäureester,
Tetra-(4-hydroxyphenyl)-methan,
Tetra-(4-(4-hydroxyphenyl-isopropyl)-phenoxy)-methan und
1,4-Bis-((4'-,4"-dihydroxytriphenyl)-methyl)-benzol.
Phloroglucin,
4,6-Dimethyl-2,4,6-tri-(4-hydroxyphenyl)-hepten-2,
4,6-Dimethyl-2,4,6-tri-(4-hydroxyphenyl)-heptan,
1,3,5-Tri-(4-hydroxyphenyl)-benzol,
1,1,1-Tri-(4-hydroxyphenyl)-ethan,
Tri-(4-hydroxyphenyl)-phenylmethan,
2,2-Bis-(4,4-bis-(4-hydroxyphenyl)-cyclohexyl)-propan,
2,4-Bis-(4-hydroxyphenyl)-isopropyl)-phenol,
2,6-Bis-(2-hydroxy-5'-methyl-benzyl)-4-methylphenol,
2-(4-Hydroxyphenyl)-2-(2,4-dihydroxyphenyl)-propan,
Hexa-(4-(4-hydroxyphenyl-isopropyl)-phenyl)-ortho-terephthalsäureester,
Tetra-(4-hydroxyphenyl)-methan,
Tetra-(4-(4-hydroxyphenyl-isopropyl)-phenoxy)-methan und
1,4-Bis-((4'-,4"-dihydroxytriphenyl)-methyl)-benzol.
Einige der sonstigen dreifunktionellen Verbindungen sind 2,4-
Dihydroxybenzoesäure, Trimesinsäure, Trimellitsäure, Cyanurchlorid und 3,3-Bis-
(3-methyl-4-hydroxyphenyl)-2-oxo-2,3-dihydroindol.
Bevorzugte Polycarbonate sind neben dem Bisphenol-A-Homopolycarbonat die
Copolycarbonate von Bisphenol A mit bis zu 15 mol-%, bezogen auf die mol-Sum
men an Diphenolen, an 2,2-Bis-(3,5-dibrom-4-hydroxyphenyl)-propan.
Die zum Einsatz kommenden aromatischen Polycarbonate können teilweise durch
aromatische Polyestercarbonate ausgetauscht werden.
Aromatische Polycarbonate und/oder aromatische Polyestercarbonate sind
literaturbekannt oder nach literaturbekannten Verfahren herstellbar (zur Herstellung
aromatischer Polycarbonate siehe beispielsweise Schnell, "Chemistry and Physics of
Polycarbonates", Interscience Publishers, 1964 sowie die DE-AS 14 95 626, DE-
OS 22 32 877, DE-OS 27 03 376, DE-OS 27 14 544, DE-OS 30 00 610,
DE-OS 38 32 396; zur Herstellung aromatischer Polyestercarbonate z. B. DE-OS 30 77 934).
Die Herstellung aromatischer Polycarbonate und/oder aromatischer Polyestercarbo
nate kann z. B. durch Umsetzung von Diphenolen mit Kohlensäurehalogeniden, vor
zugsweise Phosgen und/oder mit aromatischen Dicarbonsäuredihalogeniden, vor
zugsweise Benzoldicarbonsäuredihalogeniden, nach dem Phasengrenzflächenverfah
ren, gegebenenfalls unter Verwendung der Kettenabbrecher und gegebenenfalls unter
Verwendung der trifunktionellen oder mehr als trifunktionellen Verzweiger erfolgen.
Weiterhin sind als thermoplastische Kunststoffe Styrol-Copolymerisate von einem
oder wenigstens zwei ethylenisch ungesättigten Monomeren (Vinylmonomeren)
geeignet, wie beispielsweise von Styrol, α-Methylstyrol, kernsubstituierten
Styrolen, Acrylnitril, Methacrylnitril, Methylmelthacrylat, Maleinsäureanhydrid, N-
substituierte Maleinimide und (Meth)-Acrylsäureester mit 1 bis 18 C-Atomen in der
Alkoholkomponente.
Die Copolymerisate sind harzartig, thermoplastisch und kautschukfrei.
Bevorzugte Styrol-Copolymerisate sind solche aus wenigstens einem Monomeren
aus der Reihe Styrol, α-Methylstyrol und/oder kernsubstituiertem Styrol mit
wenigstens einem Monomeren aus der Reihe Acrylnitril, Methacrylnitril, Methyl
methacrylat, Maleinsäureanhydrid und/oder N-substituiertem-Maleinimid.
Besonders bevorzugte Gewichtsverhältnisse im thermoplastischen Copolymerisat
sind 60 bis 95 Gew.-% der Styrolmonomeren und 40 bis 5 Gew.-% der weiteren
Vinylmonomeren.
Besonders bevorzugte Copolymerisate sind solche aus Styrol mit Acrylnitril und
gegebenenfalls mit Methylmethacrylat, aus α-Methylstyrol mit Acrylnitril und
gegebenenfalls mit Methylmethacrylat, oder aus Styrol und α-Methylstyrol mit
Acrylnitril und gegebenenfalls mit Methylmethacrylat.
Die Styrol-Acrylnitril-Copolymerisate sind bekannt und lassen sich durch
radikalische Polymerisation, insbesondere durch Emulsions-, Suspensions-, Lösungs-
oder Massepolymerisation herstellen. Die Copolymerisate besitzen vorzugsweise
Molekulargewichte Mw (Gewichtsmittel, ermittelt durch Lichtstreuung oder
Sedimentation) zwischen 15000 und 200000 g/mol.
Besonders bevorzugte Copolymerisate sind auch statistisch aufgebaute
Copolymerisate aus Styrol und Maleinsäureanhydrid, die bevorzugt durch eine
kontinuierliche Masse oder Lösungspolymerisation bei unvollständigen Umsätzen
aus dem entsprechenden Monomeren hergestellt werden können.
Die Anteile der beiden Komponenten der erfindungsgemäß geeigneten statistisch
aufgebauten Styrol-Maleinsäureanhydrid-Copolymeren können innerhalb weiter
Grenzen variiert werden. Der bevorzugte Gehalt an Maleinsäureanhydrid liegt bei 5
bis 25 Gew.-%.
Anstelle von Styrol können die Polymeren auch kernsubstituierte Styrole, wie p-Me
thylstyrol, 2,4-Dimethylstyrol und andere substituierte Styrole, wie α-Methylstyrol,
enthalten.
Die Molekulargewichte (Zahlenmittel Mn) der Styrol-Maleinsäureanhydrid-
Copolymeren können über einen weiten Bereich variieren. Bevorzugt ist der Bereich
von 60000 bis 200000 g/mol. Bevorzugt ist für diese Produkte eine Grenzviskosität
von 0,3 bis 0,9 (gemessen in Dimethylformamid bei 25°C; siehe hierzu Hoffmann,
Krämer, Kuhn, Polymeranalytik I, Stuttgart 1977, Seite 316 ff.).
Geeignet als thermoplastische Kunststoffe sind auch Pfropf-Copolymerisate. Diese
umfassen Pfropfcopolymerisate mit kautschukelastischen Eigenschaften, die im
wesentlichen aus mindestens 2 der folgenden Monomeren erhältlich sind:
Chloropren, Butadien-1,3, Isopropen, Styrol, Acrylnitril, Ethylen, Propylen,
Vinylacetat und (Meth)-Acrylsäureester mit 1 bis 18 C-Atomen in der
Alkoholkomponente; also Polymerisate, wie sie z. B. in "Methoden der Organischen
Chemie" (Houben-Weyl), Bd. 14/1, Georg Thieme-Verlag, Stuttgart 1961, S. 393-
406 und in C. B. Bucknall, "Toughened Plastics" Appl. Science Publishers, London
1977, beschrieben sind. Bevorzugte Pfropfpolymerisate sind partiell vernetzt und
besitzen Gelgehalte von über 20 Gew.-%, vorzugsweise über 40 Gew.-%,
insbesondere über 60 Gew.-%.
Bevorzugt zum Einsatz kommende Pfropf-Copolymerisate sind z. B. Copolymerisate
aus Styrol und/oder Acrylnitril und/oder (Meth)-Acrylsäurealkylestern gepfropft auf
Polybutadiene, Butadien/Styrol-Copolymerisate und Acrylatkautschuke; d. h.
Copolymerisate der in der DE-OS 16 94 173 (= US-PS 3 564 077) beschriebenen
Art; mit Acryl- oder Methacrylsäurealkylestern, Vinylacetat, Acrylnitril, Styrol
und/oder Alkylstyrolen gepfropfte Polybutadiene, Butadien/Styrol- oder
Butadien/Acrylnitril-Copolymerisate, Polyisobutene oder Polyisoprene, wie sie z. B.
in der DE-OS 23 48 377 (= US-PS 3 919 353) beschrieben sind.
Besonders bevorzugte Polymerisate sind z. B. ABS-Polymerisate, wie sie z. B. in der
DE-OS 20 35 390 (= US-PS 3 644 574) oder in der DE-OS 22 48 242 (= GB-PS 1 409 275)
beschrieben sind.
Die Pfropf-Copolymerisate können nach bekannten Verfahren wie Masse-,
Suspension, Emulsions- oder Masse-Suspensionsverfahren hergestellt werden.
Als thermoplastische Polyamide können Polyamid 66
(Polyhexamethylenadipinamid) oder Polyamide von cyclischen Lactamen mit 6 bis
12 C-Atomen, bevorzugt von Laurinlactam und besonders bevorzugt ε-Caprolactam
= Polyamid 6 (Polycaprolactam) oder Copolyamide mit Hauptbestandteilen 6 oder 66
oder Abmischungen mit Hauptbestandteil der genannten Polyamide verwendet
werden. Bevorzugt ist durch aktivierte anionische Polymerisation hergestelltes
Polyamid 6 oder durch aktivierte anionische Polymerisation hergestelltes
Copolyamid mit Hauptbestandteil Polycaprolactam.
Die Reservoirschicht enthält ein frei bewegliches Phobierungsmittel. Der Anteil des
Phobierungsmittels an der Reservoirschicht beträgt insbesondere von 0,001 Vol.-%
bis 99 Vol.%, bevorzugt von 0,005 Vol.% und 50 Vol.%, besonders bevorzugt von
0,01 Vol.% und 10 Vol.-% und ganz besonders bevorzugt von 0,1 Vol.-% und
5 Vol.%.
Als hydrophobes und/oder oleophobes Phobierungsmittel sind grenzflächenaktive
Verbindungen mit beliebiger Molmasse anzusehen. Bei diesen Verbindungen handelt
es sich bevorzugt um kationische, anionische, amphotere oder nichtionische
grenzflächenaktive Verbindungen, wie sie z. B. im Verzeichnis "Surfactants Europa,
A Dictionary of Surface Active Agents available in Europe, Edited by Gordon L.
Hollis, Royal Society of Chemistry, Cambridge, 1995 aufgeführt werden.
Als anionische Phobierungshilfsmittel sind beispielsweise zu nennen: Alkylsulfate,
Ethersulfate, Ethercarboxylate, Phosphatester, Sulfosucinate, Sulfosuccinatamide,
Paraffinsulfonate, Olefinsulfonate, Sarcosinate, Isothionate, Taurate und
Lingninische Verbindungen.
Als kationische Phobierungshilfsmittel sind beispielsweise quarternäre Alkyl
ammoniumverbindungen und Imidazole zu nennen
Amphotere Phobierungshilfsmittel sind zum Beispiel Betaine, Glycinate, Propionate
und Imidazole.
Nichtionische Phobierungshilfsmittel sind beispielsweise: Alkoxylate, Alkyloamide,
Ester, Aminoxide und Alkypolyglykoside. Weiterhin kommen in Frage: Um
setzungsprodukte von Alkylenoxiden mit alkylierbaren Verbindungen, wie z. B. Fett
alkoholen, Fettaminen, Fettsäuren, Phenolen, Alkylphenolen, Arylalkylphenolen, wie
Styrol-Phenol-Kondensate, Carbonsäureamiden und Harzsäuren.
Besonders bevorzugt sind Phobierungshilfsmittel bei denen 1-100%, besonders
bevorzugt 60-95% der Wasserstoffatome durch Fluoratome substituiert sind.
Beispielhaft seien perfluoriertes Alkylsulfat, perfluorierte Alkylsulfonate, per
fluorierte Alkylphosphonate, perfluorierte Alkylphosphinate und perfluorierte
Carbonsäuren genannt.
Bevorzugt werden als polymere Phobierungshilfsmittel zur hydrophoben Be
schichtung oder als polymeres hydrophobes Material für die Oberfläche Ver
bindungen mit einer Molmasse MW < 500 bis 1.000.000, bevorzugt 1.000 bis 500.000
und besonders bevorzugt 1500 bis 20.000 eingesetzt. Diese polymeren Phobierungs
hilfsmittel können nichtionische, anionische, kationische oder amphotere Verbindungen
sein. Ferner können diese polymeren Phobierungshilfsmittel Homo- und
Copolymerisate, Pfropf und Pfropfcopolymerisate sowie statistische Blockpolymere
sein.
Besonders bevorzugte polymere Phobierungshilfsmittel sind solche vom Typ AB-,
BAB- und ABC-Blockpolymere. In den AB- oder BAB-Blockpolymeren ist das A-
Segment ein hydrophiles Homopolymer oder Copolymer, und der B-Block ein hy
drophobes Homopolymer oder Copolymer oder ein Salz davon.
Besonders bevorzugt sind auch anionische, polymere Phobierungshilfsmittel, insbe
sondere Kondensationsprodukte von aromatischen Sulfonsäuren mit Formaldehyd
und Alkylnaphthalinsulfonsäuren oder aus Formaldehyd, Naphthalinsulfonsäuren
und/oder Benzolsulfonsäuren, Kondensationsprodukte aus gegebenenfalls sub
stituiertem Phenol mit Formaldehyd und Natriumbisulfit.
Weiterhin bevorzugt sind Kondensationsprodukte, die durch Umsetzung von
Naphtholen mit Alkanolen, Anlagerungen von Alkylenoxid und mindestens teil
weiser Überführung der terminalen Hydroxygruppen in Sulfogruppen oder Halbester
der Maleinsäure und Phthalsäure oder Bernsteinsäure erhältlich sind.
In einer anderen bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das
Phobierungshilfsmittel aus der Gruppe der Sulfobernsteinsäureester sowie Alkyl
benzolsulfonate. Weiterhin bevorzugt sind sulfatierte, alkoxylierte Fettsäuren oder
deren Salze. Als alkoxylierte Fettsäurealkohole werden insbesondere solche mit 5 bis
120, mit 6 bis 60, ganz besonders bevorzugt mit 7-30 Ethylenoxid versehene C6-C22-
Fettsäurealkohole, die gesättigt oder ungesättigt sind, insbesondere Stearylalkohol,
verstanden. Die sulfatierten alkokylierten Fettsäurealkohole liegen vorzugsweise als
Salz, insbesondere als Alkali- oder Aminsalze, vorzugsweise als Diethylaminsalz
vor.
Die Abdeckschicht besteht insbesondere aus einem Metalloxid, Metallcarbid,
Metallnitrid, Metallsulfid, Metallfluorid oder eines Verbundes dieser Materialien.
Besonders bevorzugt ist das Metall für Metallverbindung der Abdeckschicht aus der
Reihe Beryllium, Magnesium, Scandium, Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen,
Kobalt, Nickel, Kupfer, Zink, Gallium, Yttrium, Zirkon, Niob, Molybdän,
Technetium, Ruthenium, Rhenium, Palladium, Silber, Cadmium, Indium, Zinn,
Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium,
Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Lutetium, Hafnium, Tantal,
Wolfram, Rhenium, Osmium, Iridium, Platin, Gold, Thallium, Blei, Wismut,
insbesondere Titan, Aluminium, Magnesium, Nickel oder einer Legierung der
genannten Metalle ausgewählt.
Besonders bevorzugt wird die Abdeckschicht durch Verdampfen oder Zerstäuben der
genannten Schichtmaterialien und Abscheiden auf der Reservoirschicht erzeugt.
Ebenfalls besonders bevorzugt weist die Oberfläche der Abdeckschicht eine
Oberflächentopographie auf, wie sie in der internationalen Patentanmeldung mit dem
Aktenzeichen PCT/99/10322 beschrieben ist. Die Oberflächentopographie ist dabei
so aufgebaut, dass der Wert des Integrals einer Funktion S
S(log f) = a(f) . f,
die einen Zusammenhang zwischen den Ortsfrequenzen f der einzelnen
Fourierkomponenten und deren Amplituden a(f) gibt, zwischen den
Integrationsgrenzen log (f1/µm-1) = -3 und log (f2/µm-1) = 3, mindestens 0,3
beträgt.
In diesem Fall ist der Randwinkel von Wasser auf der Oberfläche deutlich höher, als
der einer gleich aufgebauten aber unstrukturierten, ebenen Oberfläche.
Für die erfindungsgemäßen Oberflächen gibt es eine Vielzahl von technischen Ver
wendungsmöglichkeiten. Gegenstand der Erfindung sind deshalb auch die folgenden
Verwendungen der erfindungsgemäßen phobierte Oberflächen:
Im Fall von transparenten Materialien können die phobierten Oberflächen als
Scheibe oder als Deckschicht von transparenten Scheiben, insbesondere Glas- oder
Kunststoffscheiben, insbesondere für Solarzellen, Fahrzeuge, Flugzeuge oder Häuser
verwendet werden.
Eine weitere Verwendung sind Fassadenelemente von Gebäuden, um sie vor Nässe
zu schützen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren und Beispielen erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 den Querschnitt der Oberfläche
Fig. 1a einen vergrößerten Ausschnitt der Oberfläche nach Fig. 1
Man tropft die Mischung aus
30 g o-Trifluormethylstyrol
70 g Zonyl-TA-N (Verbindung der Formel: C9F19CH2CH2O-CO-C(CH3)=CH2)
1 g Azobisisobutyronitril und
100 g Methylisobutylketon
über 2 h bei 90°C in einen Kolben und lässt die Mischung 16 h nachrühren. Dann wird die Mischung 1 h auf 120°C erhitzt. Anschließend wird 1 g Zonylalkohol [C9F19CH2CH2OH] diffundierendes Phobierungsmittel zu der Mischung hinzugegeben.
30 g o-Trifluormethylstyrol
70 g Zonyl-TA-N (Verbindung der Formel: C9F19CH2CH2O-CO-C(CH3)=CH2)
1 g Azobisisobutyronitril und
100 g Methylisobutylketon
über 2 h bei 90°C in einen Kolben und lässt die Mischung 16 h nachrühren. Dann wird die Mischung 1 h auf 120°C erhitzt. Anschließend wird 1 g Zonylalkohol [C9F19CH2CH2OH] diffundierendes Phobierungsmittel zu der Mischung hinzugegeben.
Als Substrat 1 dient eine Glasscheibe der Dicke 4 mm. Mit Hilfe eines
Filmziehrahmens wird eine Fläche von 50 × 50 mm2 der Glasscheibe mit einer
Nassfilmdicke von 200 µm beschichtet und 24 h bei 80°C getrocknet.
Die Reservoirschicht 2 wurde durch Elektronenstrahlverdampfung bei einer
Substrattemperatur von 353 K, einer Rate von 0,35 nm/s bei einem Druck von
1 × 10-4 mbar mit einer 1 µm dicken ZrO2-Schicht bedampft.
Die Herstellung der Poren 4 in der Abdeckschicht 3 erfolgt durch Laserablation mit
einem gepulsten UV-Laser bei 193 nm mit einer Pulsenergie von 4 J/cm2 Puls.
Verwendet wurde ein ArF Eximer Laser, Typ Lambda 1000 der Firma Lambda
Physik. Der Strahlquerschnitt von ca. 20 µm Durchmesser wurde durch eine
Lochblende erzeugt.
Mit dieser Vorrichtung wird bei einer Wiederholfrequenz von 20 Hz mit 10 Pulsen
die in der Fig. 1a dargestellte Bohrung 4 in der Abdeckschicht 3 vom Durchmesser
20 µm hergestellt. Insgesamt wurden 4 × 4 Poren 4 in einem Abstand benachbarter
Poren 4 von 10 mm in die Abdeckschicht 3 eingebracht.
Anschließend wird die so hergestellte Probe für 24 Stunden bei 100°C ausgeheizt.
Der Wasserrandwinkel der erhaltenen Oberfläche beträgt nach der Herstellung 132°.
Eine Analyse der Außenschicht 5 der Oberfläche wurde mit Hilfe der
Röntgenphotoelektronen Spektroskopie (XPS) mit polychromatischer MgKα
Anregung unter 0° Elektronenaustrittswinkel auf einer Fläche vom Durchmesser von
ca. 150 µm durchgeführt. Die Analyse der Oberfläche ergab einen relativen
Fluoranteil von 52 Atom%. Daneben wurde auch noch ein Anteil von 1.0 Atom% Zr,
41 Atom% C und 5 Atom% O nachgewiesen. Bei den verwendeten
Analysebedingungen zeigt dieser Zr-Anteil eine Schichtdicke des hydrophoben Films
in der Größenordung von 5 nm an (vgl. zu dieser Analysemethode: D. Briggs, M. P.
Seah, Practical Surface Analysis, Vol. 1, Wiley, Chichester, 1990).
Zum Test der Dauerhaftigkeit der Beschichtung wird die Außenschicht 5 durch
Ionenbeschuss mit Ar-Ionen der Energie 500 eV auf einer Fläche von 10 × 10 mm2
völlig entfernt. Nach dem Ionenbeschuss war kein Fluor mehr auf der beschossenen
Fläche nachweisbar. Die XPS Analyse zeigt eine reine ZrO2 Schicht. Der
Wasserrandwinkel betrug nach dem Beschuss nur noch 30°. Im Verlauf eines Tages
änderte sich die Oberflächenzusammensetzung jedoch wieder auf die Werte vor dem
Ionenbeschuss und der Wasserrandwinkel erhöhte sich auf 130°. Die Außenschicht 5
ist also selbsterneuernd.
Der in der Reservoirschicht 2 vorhandene Anteil an gelöstem Phobierungsmittel
Zonylakohol C9F19-CH2-CH2-OH von 1% reicht bei der Schichtdicke der
Außenschicht 5 von ca. 5 nm für einen ca. 200-maligen vollständigen Ersatz der
hydrophoben Außenschicht 5. Bei einer Verwitterungszeit unter Normalbedingungen
von ca. 1 Monat beträgt die Lebensdauer der Außenschicht und die Stabilität des
Randwinkels somit etwa voraussichtlich 17 Jahre.
Claims (14)
1. Langzeitstabile hydrophobe oder oleophobe Oberfläche aufgebaut wenigstens
aus einem Substrat (1) mit einer darauf angeordneten, ein Phobierungsmittel
enthaltenden Reservoirschicht (2), einer darüber angeordneten mit Poren (4)
versehenen oder für das Phobierungsmittel durchlässigen Abdeckschicht (3)
und einer Außenschicht (5), die durch das Phobierungsmittel gebildet wird.
2. Oberfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere
Oberfläche der Abdeckschicht (3) eine Oberflächentopographie aufweist die
so gestaltet ist, dass der Wert des Integrals einer Funktion S
S(log f) = a(f) . f,
die einen Zusammenhang zwischen den Ortsfrequenzen f der einzelnen Fourierkomponenten und deren Amplituden a(f) gibt, zwischen den Integrationsgrenzen log (f1/µm-1) = -3 und log (f2/µm-1) = 3, mindestens 0,3 beträgt.
S(log f) = a(f) . f,
die einen Zusammenhang zwischen den Ortsfrequenzen f der einzelnen Fourierkomponenten und deren Amplituden a(f) gibt, zwischen den Integrationsgrenzen log (f1/µm-1) = -3 und log (f2/µm-1) = 3, mindestens 0,3 beträgt.
3. Oberfläche nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Reservoirschicht (2) eine Schichtdicke im Bereich von 0,1 µm bis 10000 µm,
bevorzugt im Bereich von 1 µm bis 2000 µm, besonders bevorzugt im
Bereich von 10 µm bis 1000 µm und ganz besonders bevorzugt im Bereich
50 µm bis 500 µm aufweist.
4. Oberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Abdeckschicht (3) eine Schichtdicke im Bereich von 0,01 µm bis 100 µm,
bevorzugt im Bereich von 0,02 µm bis 50 µm, besonders bevorzugt im
Bereich von 0,05 µm bis 20 µm und ganz besonders bevorzugt im Bereich
0,1 µm bis 10 µm aufweist.
5. Oberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
die Poren (4) im Querschnitt entlang ihrer Längsachse eine zylindrische oder
konische Form aufweisen.
6. Oberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
der Öffnungsquerschnitt der Poren (4) an der Grenzfläche zur
Reservoirschicht (2) und unabhängig hiervon gleich oder verschieden an der
Grenzfläche zur Außenschicht (5) von 10-5 µm2 bis 106 µm2, bevorzugt von
4 × 10-4 mm2 bis 4 × 104 µm2, besonders bevorzugt von 1 × 10-2 µm2 bis 1 × 104 nm2
und ganz besonders von 2 × 10-1 µm2 bis 2 × 103 µm2 beträgt.
7. Oberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass
die Anzahl der Poren (4) pro Fläche von 2 mm-2 bis 10-4 mm-2, bevorzugt von
1 mm-2 bis 10-3 µm-2, besonders bevorzugt von 0,5 mm-2 bis 10-2 mm-2
beträgt.
8. Oberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
die Poren (4) vorzugsweise durch Ablation mit Lasern, besonders bevorzugt
durch Ultraviolett-Laser, ganz besonders bevorzugt durch Ultraviolett-Laser
der Wellenlängen 308 nm, 266 nm, 248 nm, 213 nm, 193 nm oder 157 nm
hergestellt sind.
9. Oberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
das Substrat (1) aus einem transparenten Material, insbesondere
transparentem Glas, Kunststoff oder Keramik besteht.
10. Oberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
die Reservoirschicht (2) eine offen-poröse Schicht aus Metall oder eine offen-
poröse Schicht eines keramischen Materials ist oder aus einem
duroplastischen oder thermoplastischen Kunststoff, bevorzugt aus einem
transparenten Material, insbesondere aus transparentem Glas, Kunststoff oder
Keramik besteht.
11. Oberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass
der Anteil des Phobierungsmittels an der Reservoirschicht (2) von 0,001 Vol.-
% bis 99 Vol.-%, bevorzugt von 0,005 Vol.-% und 50 Vol.-%, besonders
bevorzugt von 0,01 Vol.-% und 10 Vol.-% und ganz besonders bevorzugt von
0,1 Vol.-% und 5 Vol.-% beträgt.
12. Oberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass
die Abdeckschicht (3) aus einem Metalloxid, Metallcarbid, Metallnitrid,
Metallsulfid, Metallfluorid oder eines Verbundes dieser Materialien besteht.
13. Verwendung der Oberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 12 für
Fassadenelemente von Gebäuden.
14. Verwendung der Oberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 12 mit einem
Schichtenaufbau aus transparenten Materialien als Scheibe oder als
Deckschicht von transparenten Scheiben, insbesondere Glas- oder
Kunststoffscheiben, besonders bevorzugt für Solarzellen, Fahrzeuge,
Flugzeuge oder Häuser.
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE10007859A DE10007859A1 (de) | 2000-02-21 | 2000-02-21 | Langzeitstabile wasser- und ölabweisende Oberfläche |
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